Кто придумал батарейку. От жидкостного элемента…

Батарейки различных типов давно и прочно вошли в повседневную жизнь. Они используются во всевозможных электрических устройствах со слабыми токами, в качестве источника питания. Несмотря на внешние существенные отличия, устройство батарейки любого типа имеет общие черты и принципы. Различия могут быть только в составе химических веществ, с помощью которых выделяется электрическая энергия.

Типовое устройство батарейки

Батарейка, изготовленная в заводских условиях, включает в свой состав несколько специальных химических реагентов, которые, взаимодействуя между собой, выделяют энергию - тепловую и электрическую. Кроме того, в каждой батарейке имеются электроды - катод и анод, создающие соответствующие полюса - положительный и отрицательный.

Все реагенты разделяются при помощи специальной прокладки, которая не позволяет их составным частям перемешиваться. Тем не менее, эта прокладка способна пропускать электролит, находящийся внутри батарейки в жидком виде. Между разными твердыми реагентами и жидким электролитом происходят химические реакции, в результате которых образуются положительный и отрицательный заряды. Полюсность заряда напрямую зависит от химического состава того или иного реагента. Прокладка, расположенная между ними, не позволяет нейтрализовать положительный и отрицательный заряд.

Дополнительные элементы батарейки

Для снятия заряда и вывода его на контакты во внутрь анодного реагента помещается специальный токосниматель в виде штыря. Токосниматель катода расположен под внешней гильзой, являющейся ее оболочкой. И тот и другой токосниматели, оканчиваются электрическими контактами, соответственно анодом и катодом. Работа начинается с химической реакции, затем на реактивах происходит разделение зарядов и их последующий переход на токосниматели. Окончательно заряды поступают на раздельные электроды и, непосредственно, в электронное устройство.

В устройстве щелочных (алкалиновых) батареек применяется цинк в порошкообразной форме. Для того, чтобы замедлить расход цинка, некоторое время назад производились добавки в порошок химических элементов - ртути и кадмия. Поскольку эти добавки оказались вредными, их перестали применять. В современных конструкциях батареек используются более дорогостоящие, но менее вредные вещества, такие как индий, свинец и прочие. В качестве анодного реактива применяется оксид марганца совместно с электролитом, которым в данном случае является щелочь.

Щелочные батарейки могут иногда протекать. Это происходит, когда нарушена герметичность из-за возможных внешних повреждений гильзы, или, когда внутреннее давление становится выше нормы.

Солевые батарейки имеют аналогичную конструкцию и более низкую стоимость. Их основное отличие в том, что катодная масса заменяется цинковым корпусом. Угольный токосниматель расположен по центру. Хлорид, используемый как электролит, не что иное, как соль соляной кислоты. Именно она и послужила названием для данного вида батареек.

Итальянский физик Алессандро Вольта создал в 1800 г. источник постоянного тока, способный постоянно производить электроэнергию. Эта первая электрическая батарея, получившая название вольтова столба, была гораздо эффективнее и удобнее, чем обычные тогда конденсаторы, которые требовалось долго заряжать перед каждым использованием.

От жидкостного элемента…

Алессандро Вольта не желал верить в постулированное его земляком Луиджи Гальвани в 1780 г. животное электричество и подверг его опыты с дергающимися лягушачьими лапками тщательной проверке. Вольта обнаружил, что источник электрического тока — не в самих животных тканях, а в химических процессах, возникающих между электродами из различных металлов. В доказательство он соорудил названный его именем элемент, где чередующиеся пластинки цинка и меди были переложены сукном, пропитанным соляной кислотой. На выходах создавалась разность потенциалов, суммирующая напряжение всех соединенных

в столб гальванических элементов. Раствор обладал проводимостью, поскольку в нем вступали между собой в реакцию положительно и отрицательно заряженные элементарные частички (ионы). При таком оснащении опыта возникал электрический ток, способный заставить дергаться лягушачью лапку -но с тем же успехом обеспечивать свечение лампы.

К сухой батарее

Однако у этой батареи были и недостатки: со временем цинковые пластинки растворяются, а у катода накапливается водород, что приводит к снижению напряжения на выходе. В 1867 г. француз Жорж Лекланше устранит эти проблемы, создав сухую батарейку. Электродами в ней служат цинковый цилиндр и угольный стержень. Электролит представляет собой папу, состоящую в основном из хлорида аммония. В 1912 г. Томас Алва Эдисон получил патент на герметичную никель-кадмиевую батарею. В 1950 г. появились первые герметичные пуговичные батарейки. Выпущенные в продажу в 1998 г. ионно-литиевые элементы питания не только мощнее и долговечнее, но и меньше загрязняют окружающую среду, чем ядовитые кадмиевые батарейки.

С обновляющейся энергией

Батарейки, которые можно заряжать многократно, изобрел в 1859 г. французский физик Гастон Планше. В его аккумуляторе использовались свинцовые электроды, погруженные в серную кислоту. При подключении обеих пластин к электрической батарее вторичный элемент через некоторое время заряжался и сам оказывался способен давать ощутимый постоянной ток. С появлением аккумулятора впервые стало возможно накапливать электрическую энергию.

• 1840 г.: Роберт Вильгельм Бунзен создал угольно-цинковый гальванический элемент.
• 1992 г.: чтобы избежать ядовитого кадмия, разработаны никелево-металлогидридные аккумуляторы.
• 1999 г.: концерн Даймлер-Крайслер представил первый автомобить на топливных элементах без выхлопов.

Предыстория батарейки начинается в далёком 17 веке, а её дедушкой был итальянский врач, анатом, физиолог и физик - Луиджи Гальвани. Этот достойный человек является одним из основоположников учения об электричестве и несомненным первопроходцем в изучении электрофизиологии.

Так называемое "животное электричество" Гальвани обнаружил в ходе одного из своих экспериментов. Он присоединил две металлических полоски к мышцам лягушачьей лапки и обнаружил, что при сокращении мышцы возникает электрический разряд. Впрочем, попытка объяснить данное явление Гальвани не совсем удалась: теоретическая основа, которую он подводил, оказалась неверной, но выяснилось это значительно позже. Результаты опытов, полученные Гальвани, полтора века спустя заинтересовали его соотечественника и коллегу. Это был Алессандро Вольта.

Ещё в молодости заинтересовавшись изучением электрических явлений и познакомившись с работами Б. Франклина, Вольта установил в городе Комо первый громоотвод. Кроме этого, он отправил парижском академику Ж.А. Нолле своё сочинение, в котором рассуждал о различных электрических явлениях. В итоге Вольта заинтересовался работами Гальвани.

Внимательно изучив результаты опытов с лягушкой, Алессандро Вольта отметил одну деталь, на которую не обратил внимания сам Гальвани: если к лягушке присоединяли провода из разнородных металлов, мышечные сокращения становились сильнее.

Не удовлетворившись объяснениями, предложенными предшественником, Вольта сделал чрезвычайно смелое и неожиданное предположение: решил, что два металла, разделенные телом, в котором много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка, без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают свою собственную электрическую силу. Чтобы не быть голословным, физик провёл серию дополнительных опытов, подтвердивших его предположение.

В 1800 году, 20 марта, Алессандро Вольта написал президенту Лондонского Королевского Общества сэру Джозефу Бэнксу о своём изобретении - новом источнике электричества, получившем название "вольтов столб". Сам изобретатель не до конца понимал весь механизм работы своего детища и даже всерьёз полагал, что создал вполне рабочую модель вечного двигателя.

Кстати, Алессандро Вольта продемонстрировал всему научному сообществу замечательный пример исследовательской скромности: предложил называть своё изобретение "гальваническим элементом", в честь Луиджи Гальвани, чьи опыты навели его на мысль.

Анатомия батарейки

Как же выглядели первые "батарейки"? Собственно, устройство своего изобретения А. Вольта весьма и весьма подробно описал в своём письме сэру Джозефу Бэнксу. Первый же его опыт выглядел следующим образом: Вольта опустил в банку с кислотой медную и цинковую пластинки, а затем соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. "Вольтов столб" - это, можно сказать, стопка из соединённых между собой пластинок цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой и сложенных друг на друга в определённом порядке.

В современных "пальчиковых" и прочих батарейках "начинка" несколько сложнее. В корпусе батарейки упакованы химические реагенты, при взаимодействии которых и выделяется энергия, а также два электрода - анод и катод. Реагенты эти разделены специальной прокладкой, которая не позволяет твердым частям реагентов перемешиваться, но при этом пропускает к ним жидкий электролит.

Жидкий электролит реагирует с твёрдым реагентом, в результате чего возникает заряд. На реагенте анода он отрицательный, а на катодном - положительный. Чтобы не произошло нейтрализации зарядов твёрдые части реагента разделены мембраной.

Чтобы можно было "снять" полученный заряд и передать его на контакты, в анодный реагент вставлен токосниматель, который выглядит очень просто - тоненький не очень длинный штырёк. Есть в батарейке и катодный токосниматель, который располагается под оболочкой батарейки. Саму оболочку называют внешней гильзой.

Оба токоснимателя соприкасаются внутри батарейки с анодом и катодом. Схема работы батарейки в результате такова: химическая реакция, разделение зарядов на реактивах, переход зарядов на токосниматели, далее - на электроды и в питаемое устройство.

Какими бывают батарейки

Существует целых три классификации батареек. Первая - по типоразмеру гальванического элемента. В быту мы чаще всего пользуемся батарейками "пальчиковыми" или "мизинчиковыми", но помимо этого есть ещё средняя и большая батарейки цилиндрической формы, а также два типа батареек, форма которых - параллелепипед: "крона" и просто квадратная. Это - перечень самых распространённых разновидностей формы.

Отличаются автономные источники питания и по типу электролита. Самые дешёвые батарейки, как правило, "солевые" - угольно-цинковые, этот электролит сухой. Ещё один вариант сухого электролита - хлорид цинка. Такие батарейки тоже достаточно дёшевы и широко распространены.

Следующий вариант электролита - щелочной. На этих батарейках написано Alkaline , а внутри - щёлочно-марганцевый, марганцево-цинковый электролит. Их основной недостаток - высокое содержание ртути.

Батарейки с ртутным электролитом на сегодняшний день практически не производятся. Серебряный электролит показывает хорошие эксплуатационные свойства, однако производство таких батареек стоит очень больших денег.

Воздушно-цинковый электролит - самый безопасный для человека и окружающей среды. Стоят они недорого, хранятся долго. Вот только толщина батарейки в 1,5 раза больше обычной щелочной/серебряной. Кроме того, чтобы исключить саморазряд во время её хранения, требуется заклеивать батарейку. Литиевые батареи - довольно дороги, однако их эксплуатационные характеристики значительно превышают показатели прочих батареек.

Ещё один способ поделить батарейки на группы - определить тип химической реакции, который в них происходит. Первичная реакция происходит в гальванических элементах - в самых обыкновенных батарейках. Вторичной зарядке они не поддаются, в отличие от аккумуляторных батарей, в которых происходит вторичная хим.реакция.

Правила использования и утилизации

Батарейки нежелательно применять при крайних температурах - сильно охлаждать или нагревать. Это может привести к весьма неприятным последствиям. Если вам пришлось использовать батарейки в холоде, например, зимой на улице, рекомендуется не менее получаса выдержать их в комнатной температуре.

Случается, что батарейки, особенно щелочные, текут. Такое происходит когда нарушается герметичность корпуса батарейки. Использовать эти батарейки ни в коем случае нельзя - это может привести к повреждениям электроприборов.

Что касается утилизации отработанных батареек или аккумуляторов, то этим должны заниматься специальные организации или предприятия. В крупных городах можно найти специально организованные приёмные пункты, куда можно сдать использованные батарейки для их дальнейшей утилизации. Правда, не в каждом городе такой пункт приёма организован. Вопрос, что делать в этом случае остаётся открытым.

• А. Вольта. "Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ".
• Радовский М.И. "Гальвани и Вольта".
• Спасский Б.И. "История физики".
• Свободная электронная энциклопедия Википедия, раздел "Химический источник тока".
• Свободная электронная энциклопедия Википедия, раздел "Типоразмеры гальванических элементов".

Гальванический элемент или батарейка - это простейший источник электричества, который работает на принципах химического взаимодействия определенных веществ друг с другом. Она была изобретена ученым Алессандро Вольта, но последние данные из раскопок древних фараонов дают основания полагать, что гальванические элементы были известны человеку уже не одну тысячу лет. И так давайте попытаемся понять, как все же работает гальванический элемент и разберем устройство батарейки.

Предположим, у нас имеется стеклянный сосуд, а в него налит раствор серной кислота и опущен цинковый стержень. Так как на поверхности пластины имеются положительно заряженные ионы цинка, то в растворе кислоты вокруг стержня концентрируются отрицательные ионы раствора. Силы притяжения раствора отрывают ионы цинка. В итоге цинковый стержень приобретает отрицательный потенциал, а раствор положительный. А как мы уже знаем разность потенциалов - это . Итак, при контакте металла и кислотного раствора на границе появляется . В момент образования его и происходит превращение химической энергии в электрическую.

Элемент Александро Вольта состоит из двух различных пластин меди и цинка, помещенных в слабый раствор серной кислоты. Медная пластина которого плюс, а цинковая соответственно минус, с некоторой разность потенциала. Нужно сказать, что это вырабатываемое ЭДС гальванического источника, полностью зависит от материала и от происходящих химических процессов.

Изобретатель Александро Вольта поместил в банку с кислотой медную и цинковую пластинки, а затем соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться в растворе, а на медной появились пузырьки газа - водорода. "Вольтов столб " - представляет из себя слоеный пирог из соединенных между собой пластинок цинка, меди и сукна, пропитанных серной кислотой и сложенных друг на друга в определенной последовательности.

Подсоединив гальванический элемент к нагрузке, мы косвенно видим как электроны с цинкового электрода перетекают на медный, тем самым нарушая равновесие. В итоге на медной пластине начнет, выделятся водород. Это образование водорода весьма отрицательно влияет на работу гальванического элемента, т.к они создают барьер между границей меди и раствора. И это явление в физике называется поляризация.

Для борьбы с эффектом поляризации был открыт другой принцип устройство батарейки. Его назвали в честь первооткрывателя - элемент Лекланше . В сосуд с раствором нашатыря, слегка разбавленного водой помещены два стержня цинковый и графитовый, последний имеет вокруг себя слой двуокиси марганца, задача которого как раз поглощения нежелательного водорода.

В результате эффективность гальванический элемент существенно возрастает. Именно по этому принципу и изготавливаются большинство имеющихся батареек. Отличия заключаются лишь в применяемых веществах и материалах. Так как именно это отличие и закладывает специфические параметры и характеристики гальванических элементов. Например, одни растрачивать свой заряд постепенно и при этом их ЭДС, так же будет, снижаться, а другие наоборот более равномерно отдают энергию и лишь в самый последний момент резко теряют заряд.

Сегодня существует огромное количество различных типов гальванических элементов: Марганцево - цинковый, Марганцево - оловянный, Марганцево - магниевый, Свинцово - цинковый, Свинцово - кадмиевый, Свинцово - хлорный, Хром - цинковый, Окисно - ртутно-оловянный, Ртутно - цинковый, Ртутно - кадмиевый и т.п. Кроме химического состава, гальванические элементы также отличаются размерами и емкостью заряда.

Каждый современный человек периодически сталкивался с вопросами замены батарейки и раз уж вы попали на эту страницу, значит у вас возникли сомнения в правильности выбора того или иного выбора элемента питания. В рамках данной статьи мы разложим все популярные стандарты актуальных батареек по типам и видам.

Где бы вы ни были и куда бы ни пошли, вы, так или иначе, столкнетесь с батарейками или аккумуляторами. Попробуйте представить мир, в котором бы все электроприборы питались от розеток – никаких телефонов, фонариков, ноутбуков, автомобилей и прочих уже привычных благ цивилизации. Аккумуляторы повсюду: от мобильных телефонов до космических кораблей. О том, как работают эти портативные источники энергии, из чего они сделаны, и какие мифы о них правдивы, а какие – нет, мы попытаемся разобраться в этой статье.

Первые батарейки

Считается, что примитивными батарейками пользовались еще арабы во времена до нашей эры. В результате раскопок под Багдадом археологи нашли глиняные кувшины, в которых находились железные стержни в медной оболочке. Протестировав находки в лаборатории, ученые пришли к выводу, что кувшины были наполнены кислотной жидкостью, скорее всего, вином или уксусом. Для каких целей использовались подобные устройства не совсем понятно, т.к. представление об электричестве возникло спустя практически два тысячелетия, но факт остается фактом: батарейками пользовались еще до Рождества Христова.

Однако первые современные батарейки появились в 1800 году благодаря итальянскому ученому Алессандро Вольте, который получил непрерывный электрический ток, поместив цинковые и медные пластины в кислоту. Это изобретение получило название Вольтов столб, а единица измерения напряжения получила название в честь его создателя. С тех пор появились новые виды батареек с усовершенствованной конструкцией и улучшенным коэффициентом полезного действия, но принцип их работы существенно не изменился: при подключении батарейки к устройству в ней происходит электрохимическая реакция и вырабатывается электричество.

По типу электрохимической реакции различают два типа химических источников питания:
1. Гальванические элементы (батарейки) . Они отличаются необратимой реакцией при выработке электроэнергии, поэтому их нельзя перезарядить. Попытка перезарядить батарейку может привести к утечке щелочи или другого вещества, в зависимости от батарейки.
2. Аккумуляторы . Они отличаются обратимостью реакций при выработке электричества, поэтому их можно перезарядить. Аккумуляторы могут не только, как батарейки, преобразовывать химическую энергию в электрическую, но и наоборот.

Как работают батарейки

Главными компонентами батарейки, из которых она состоит на 90 %, являются электролит и два электрода: анод , подключенный к отрицательному полюсу (-) и катод , подключенный к положительному полюсу (+). Если подключить батарейку к электрической цепи, в ней начнут происходить окислительно-восстановительные процессы. Взаимодействуя с электролитом, материал анода начнет окисляться и выделять отрицательно заряженные частицы – электроны, – которые и образуют электрический ток. Во время работы батарейки в аноде (-) вырабатывается избыточное количество электронов, и единственным выходом для них является перемещение к положительному полюсу. Взаимодействуя с материалом катода, электроны нейтрализуются в результате реакции восстановления. Именно избыток электронов в отрицательном полюсе и их нехватка в положительном полюсе приводит к постоянному перераспределению электронов между полюсами и создает электрическое напряжение. Окислительно-восстановительные процессы протекают в батарейке постоянно, пока она подключена к электрической цепи, изменяя изначальный состав материалов анода и катода: образуются второстепенные элементы, которые препятствуют движению электронов. Это приводит батарейку в негодность.

Аккумуляторы

Аккумуляторы отличаются от батареек обратимостью химических процессов, проще говоря, возможностью перезарядки. В электрической цепи аккумулятор работает так же, как и батарейка: в аноде образуются электроны, которые перемещаются в катод, образуя электрическое напряжение. Когда материал анода истощается, электроны прекращают вырабатываться и аккумулятор садится. Вот здесь и кроется главное преимущество аккумуляторы: в отличие от батарейки, анод можно восстановить, пропустив через аккумулятор электрический ток. Естественно, это не значит, что аккумуляторы будут работать вечно, ведь материал анода в любом случае будет постепенно истощаться, но на сотню перезарядок обычного аккумулятора зачастую хватает.

В зависимости от материалов, используемых в качестве анода и катода, выделяют разные типы батареек. Каждый тип отличается производительностью, сроком эксплуатации, ценой и вредностью. К сожалению, не существует идеальных батареек, которые бы удовлетворяли пользователей всеми параметрами. О типах батареек и аккумуляторов, их преимуществах и недостатках читайте далее.